L'augmentation de l'accumulation de neige simulée en Antarctique de l'Est pour le siècle à venir est une contribution négative à la hausse du niveau moyen des mers. Les modèles climatiques simulant cette augmentation ne possèdent pas de paramétrisation du transport éolien de neige or ce dernier joue un rôle primordial sur l'accumulation d'après les observations. Les modèles climatiques régionaux possédant une paramétrisation du transport éolien permettent d'estimer l'incertitude des modèles climatiques sur la hausse du niveau moyen des mers en ne représentant pas ce processus. Cependant aucune donnée de transport ne permet une validation précise de ces modèles en Antarctique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la constitution d'une base de données de transport éolien de neige en Antarctique ainsi qu'une validation d'un modèle climatique régional incluant le transport éolien de neige. Un instrument acoustique, le FlowCapt, a été choisi pour acquérir les données. Une comparaison avec un appareil de mesure optique du transport, le Snow Particle Counter, a été menée dans les Alpes françaises. Cette comparaison a permis de déterminer les limites des deux générations de FlowCapt existantes pour la détection des événements de transport et la quantification du flux de neige. Une base de données de trois années a été acquise en Terre Adélie, Antarctique, pour permettre une comparaison avec un modèle climatique régional. Elle a permis de calculer la hauteur de rugosité et la vitesse de frottement seuil avec leurs incertitudes. Les épisodes de transport éolien de neige et une borne inférieure de la quantité de neige déplacée en un point ont été estimés. Deux comparaisons ont été menées avec le Modèle Atmosphérique Régional, un modèle climatique régional incluant de nombreuses rétroactions du transport sur l'écoulement. Les deux simulations utilisées pour les comparaisons ont été faites sur un petit domaine à fine échelle sur une période d'un mois. Le modèle simule bien les épisodes de transport sauf lorsque de la fonte s'est produite juste avant un épisode ou lorsque les épisodes ont une hauteur maximale de transport inférieure à cinquante centimètres. Le modèle sous-estime les quantités de neige transportée.

Le bilan de masse en surface de l’Antarctique (noté BMS ; résultante de l’équilibre entres les termes d’accumulation et d’ablation) contribue directement aux variations du niveau moyen des mers. Dans le contexte du changement climatique, sa détermination par les modèles atmosphériques est nécessaire pour affiner son estimation présente et future.Les vents violents en périphérie de l’Antarctique de l’Est sont responsables d’un entraînement aérodynamique de la neige en surface qui influence de façon significative le BMS. Le transport de neige par le vent est également à l’origine du développement de formes d’érosion éolienne orientées parallèlement au vent moyen au moment de leur formation et dont la distribution spatiale est un déterminant majeur de la rugosité de surface. Ces éléments de rugosité exercent en retour un effet d’obstacle à l’écoulement qui affecte directement le champ de vent en surface et, par extension, le transport éolien de la neige.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’observation et la modélisation numérique de l’érosion éolienne de la neige au niveau d’une région côtière de l’Antarctique de l’Est, la Terre Adélie. Dans un premier temps, le modèle atmosphérique régional MAR, qui contient une représentation détaillée des processus de transport éolien, est mis en œuvre à une résolution spatiale de 5 km sur un domaine couvrant la Terre Adélie et comparé sur un mois d’été à des observations météorologiques incluant des mesures continues du vent et du flux éolien massique de neige aérotransportée. Il est montré que les flux éoliens de neige produits par le MAR sont hautement sensibles à la paramétrisation de la rugosité de surface, et qu’une calibration unique de ce paramètre ne permet pas de simuler avec une qualité équivalente le champ de vent en deux points de mesure distants d’à peine 100 km. À partir des observations, les interactions rugosité-érosion sont ensuite étudiées à l’échelle d’évènements individuels d’érosion éolienne. Il est mis en évidence i) que l’effet d’obstacle généré par les formes d’érosion éolienne a un impact inhibiteur sur le flux éolien de neige et ii) que cet effet d’obstacle peut être fortement diminué par l’aptitude des formes d’érosion éolienne à se réorienter parallèlement au vent dominant pendant un événement de transport. L’examen des observations sur une année révèle que ce processus d’ajustement aérodynamique est sujet à des variations temporelles majoritairement reliées à l’historique de la température. Enfin, on montre qu’une reconfiguration du modèle comprenant notamment l’introduction d’une dépendance à la température dans la paramétrisation de la rugosité de surface améliore considérablement la représentation des flux éoliens de neige par le MAR sur l’année considérée. Ces résultats suggèrent qu’une distribution spatiale et temporelle de la rugosité de surface doit être prise en compte dans les modèles atmosphériques pour une simulation réaliste du transport éolien de la neige à l’échelle de l’Antarctique. / The Antarctic ice sheet surface mass balance (SMB; the result of the balance between accumulation and ablation terms) has a direct influence on variations in the global mean sea level. In the context of climate change, atmospheric models are needed to improve its current and future estimation.Intense surface winds over the coastal slopes of East Antarctica are responsible for aerodynamic entrainment of snow at the surface, which has a significant influence on the BMS. Transport of snow by the wind also produces aeolian erosion features aligned parallel to the prevailing winds at the time of their formation. The spatial distribution of these features is a major determinant of surface roughness. On the other hand, surface roughness is an obstacle to flow and directly affects the surface wind field and, by extension, aeolian snow transport.The work presented here is based on observations and numerical modeling of aeolian snow erosion in a coastal stretch of Adélie Land, East Antarctica. First, the regional atmospheric model MAR, which includes a detailed representation of aeolian transport processes, was run at a spatial resolution of 5 km over a zone including Adélie Land and model results were compared with meteorological observations made over one month in summer, including continuous measurements of the wind and the aeolian snow mass flux. Aeolian snow mass fluxes modeled by MAR were highly sensitive to parameterization of surface roughness, and a single calibration of this parameter was not enough to simulate the surface wind field at two measurement points located only 100 km apart with the same accuracy. Consequently, roughness-erosion interactions were analyzed at the scale of individual aeolian erosion events using observations. The results of this analysis underlined that (i) the barrier effect generated by aeolian erosion features had an inhibiting impact on the aeolian snow mass flux and (ii) that the barrier effect can be strongly reduced by the ability of aeolian erosion features to realign with the dominant wind during a transport event. Examination of observations made over a period of one year revealed that this adjustment process is prone to temporal variations mainly linked to past temperatures. Finally, we showed that reconfiguring the model, including introducing temperature dependence in the parameterization of surface roughness considerably improved the representation of aeolian snow mass fluxes by the MAR model for the year concerned. These results suggest that spatial and temporal distribution of surface roughness should be included in atmospheric models for realistic simulations of aeolian snow transport over Antarctica.

Le bilan d'énergie de surface du Plateau Antarctique est essentiellement contrôlé par les propriétés physiques des premiers centimètres du manteau neigeux. Or l'évolution de cette neige de surface est complexe car elle dépend de processus fondamentalement imbriqués: vitesse de métamorphisme, profils de température, pénétration du rayonnement solaire, précipitations, transport de neige par le vent, etc. L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier ces diverses composantes et leur couplage afin de simuler l'évolution de la densité de la neige et de la taille de grain (surface spécifique) sur le Plateau Antarctique. Pour représenter de manière physique l'absorption de l'énergie solaire à l'intérieur du manteau, un modèle de transfert radiatif à fine résolution spectrale (TARTES) a été implémenté dans le modèle de manteau neigeux détaillé Crocus. TARTES permet de calculer le profil vertical d'absorption d'énergie dans un manteau stratifié dont les caractéristiques sont connues. Parmi elles, la forme des grains, explicitement prise en compte dans TARTES, a été peu étudiée jusqu'à présent. C'est pourquoi une méthode de détermination expérimentale de la forme optique des grains est proposée et appliquée à un grand nombre d'échantillons de neige. Cette méthode, basée sur des mesures optiques, des simulations TARTES, et l'inférence bayésienne, a permis de déterminer la forme la plus adéquate pour simuler les propriétés optiques de la neige, et a mis en évidence le fait que représenter la neige par un ensemble de particules sphériques conduisait à surestimer la profondeur de pénétration du rayonnement d'environ 30%. L'impact de l'absorption en profondeur du rayonnement sur les profils de température dans le manteau et son métamorphisme est ensuite étudié par des approches analytique et numérique, mettant en valeur la sensibilité des profils aux propriétés de la neige proche de la surface. En particulier, la densité de la neige sur les premiers centimètres est cruciale pour le bilan d'énergie du manteau car elle impacte à la fois la profondeur de pénétration du rayonnement et la conductivité thermique du manteau. Puisque le modèle Crocus tient compte de ce couplage entre propriétés optiques et physiques du manteau, il est utilisé pour estimer l'influence des conditions météorologiques sur la variabilité temporelle des propriétés physiques de la neige de surface à Dôme C. Ces simulations sont évaluées au regard d'un jeu de données collectées lors de missions de terrain et de mesures automatiques de l'albédo spectral et de la pénétration du rayonnement dans la neige. Ces observations mettent en évidence le rôle primordial des précipitations dans les variations rapides de taille de grain en surface et l'existence d'un cycle saisonnier de cette taille de grain. Ces variations sont bien simulées par Crocus lorsque le forçage atmosphérique qui lui est imposé est adéquat. En particulier, l'impact du vent sur l'évolution du manteau est fondamental car il contrôle la densité de surface par le biais du transport de neige. Ce transport est aussi à l'origine de la variabilité spatiale des propriétés de la neige observée à Dôme C. C'est pourquoi une modélisation stochastique de l'érosion et du transport de neige dans Crocus est proposée. En plus d'expliquer la variabilité spatiale de la densité et de la taille de grain, elle permet de reproduire celle de l'accumulation annuelle ainsi que les variations rapides de hauteur de neige liées à des épisodes de vent. Ces travaux ont permis une meilleure représentation des processus physiques qui contrôlent les variations des propriétés de la neige de surface à Dôme C, tout en soulignant le rôle primordial du vent, dont l'impact sur le manteau est particulièrement complexe à simuler. / The surface energy balance of the Antarctic Plateau is mainly governed by the physical properties of the snowpack in the topmost centimeters, whose evolution is driven by intricated processes such as: snow metamorphism, temperature profiles variations, solar radiation penetration, precipitation, snow drift, etc. This thesis focuses on the interactions between all these components and aims at simulating the evolution of snow density and snow grain size (specific surface area) on the Antarctic Plateau. To physically model the absorption of solar radiation within the snowpack, a radiative transfer model with high spectral resolution (TARTES) is implemented in the detailed snowpack model Crocus. TARTES calculates the vertical profile of absorbed radiation in a layered snowpack whose characteristics are given. These characteristics include snow grain shape, a parameter that has been seldom studied. For this reason, an experimental method to estimate the optical grain shape is proposed and applied to a large number of snow samples. This method, which combines optical measurements, TARTES simulations and Bayesian inference, is used to estimate the optimal shape to be used in snow optical models. In addition, it highlights that representing snow as a collection of spherical particles results in overestimation of the penetration depth of solar radiation. The influence of the penetration of solar radiation on the snow temperature profiles is then investigated with analytical and numerical tools. The results point out the high sensitivity of the temperature profiles to surface snow physical properties. In particular, the density of the topmost centimeters of the snowpack is critical for the energy budget of the snowpack because it impacts both the effective thermal conductivity and the penetration depth of light. To simulate the evolution of snow physical properties at Dome C by taking into account their interdependence with snow optical properties, the model Crocus is used, driven by meteorological data. These simulations are evaluated against a set of data collected during field missions as well as automatic measurements of snow spectral albedo and penetration depth. These observations highlight the influence of weather conditions on the temporal variability of surface snow properties. They show the existence of a slow decrease of snow grain size at the surface during summer. Rapid changes are also observed, essentially due to precipitation. These variations are well simulated by Crocus when forced by an appropriate atmospheric forcing. In particular, the impact of wind on the evolution of the snowpack is crucial because it controls the surface density through snow transport. This transport is also responsible for the spatial variability of snow properties observed at Dome C. That is why a stochastic representation of snow erosion and transport in Crocus is proposed. It explains well the observations of the spatial variability of density and grain size, and reproduces the variability of the annual accumulation as well as rapid changes in snow height resulting from drift events. This study improves our understanding of the physical processes which drive the properties of snow close to the surface on the Antarctic Plateau, and also points out the critical role of wind, the impact of which is very difficult to account for in models yet.

De façon à maximiser leur valeur sélective, les individus doivent prendre différentes décisions qui doivent concorder aux conditions environnementales (se reproduire ou pas ? quand ? quel investissement parental ?). Ces décisions sont fortement influencées par la sécrétion de certaines hormones comme l’hormone lutéinisante (LH) déclencheur de la reproduction, l’hormone de stress (CORT) et la prolactine (PRL), pour l’expression des soins parentaux. Les contaminants chimiques et naturels sont omniprésents et ont même été retrouvés en zones polaires. De nombreux contaminants sont des perturbateurs endocriniens et pourraient altérer les décisions de reproduction, mais les preuves manquent pour la faune sauvage. Cette thèse vise donc à identifier les liens entre certains polluants organiques persistants dits ‘d’héritage’ (POPs : PCBs, pesticides organochlorés), le mercure (Hg) et les hormones LH, CORT et PRL chez plusieurs espèces d’oiseaux marins arctiques et antarctiques. Les résultats obtenus ont démontré que ces contaminants interagissent avec ces hormones, et de façon spécifique : le Hg réprimerait la sécrétion d’hormones hypophysaires (LH, PRL) tandis que les PCBs stimuleraient la production de CORT. Plus précisément, le Hg pourrait affecter la sécrétion de LH en réprimant l’apport de GnRH à l’hypophyse et les PCBs pourraient stimuler le nombre de récepteurs à l’ACTH au niveau des glandes surrénales. Le Hg et les PCBs peuvent donc altérer les décisions de reproduction et impacter la valeur sélective : des taux élevés de Hg sont associés à la suppression de la reproduction et à un moindre investissement parental, tandis que la présence de PCBs pourrait exacerber la susceptibilité au stress environnemental. Les conséquences à long terme de l’exposition des oiseaux marins à ces contaminants sont discutées dans le cadre des changements globaux qui affectent les pôles. / In order to maximise fitness, individuals will have to take several decisions that shall match with environmental conditions (whether to breed or not, when to breed, what level of parental investment). These decisions are mediated by hormones : such as luteinizing hormone (LH), a pituitary hormone involved in the onset of breeding, stress hormones (corticosterone, CORT) and prolactin (PRL) a pituitary hormone involved in the expression of parental care. Environmental contaminants are present world-wide, and also in Polar Regions. Since many contaminants are endocrine disruptors, they may impair breeding decisions, but evidences are scarce for wildlife. The aim of this thesis was to assess the relationships between some legacy persistent organic pollutants (POPs : PCBs, organochlorine pesticides), mercury (Hg) and hormones (LH, CORT, PRL) in different Arctic and Antarctic seabird species. Results show that POPs and Hg clearly interact with LH, CORT and PRL secretion. These contaminants appear to target different hormones : increasing Hg was related to decreasing pituitary hormone secretion (LH and PRL) ; whereas increasing PCBs were linked to an exacerbated CORT response to an acute stress. Hg disrupted LH secretion by probably suppressing GnRH input to the pituitary ; PCBs seem to act at the adrenal level by probably stimulating ACTH receptors. Legacy POPs and Hg are therefore able to disrupt reproductive decisions and to impact fitness : elevated Hg levels were linked to skipped reproduction and poor incubation behavior ; elevated PCB levels may make individuals more susceptible to environmental perturbations. The long-term consequences of contaminant exposure for seabirds are discussed in the context of the environmental challenges affecting polar regions.

Dans cette thèse, nous étudions la dynamique du plateau antarctique à l'aide d'observations in situ. Nous présentons la circulation de l'eau circumpolaire profonde modifiée (MCDW) sur le plateau, en Antarctique de l'est, au large de la Terre Adélie. Le plateau Adélie est actuellement présenté comme la seconde source majeure d'eau antarctique de fond (AABW). La MCDW est une source de chaleur, de sel et de nutriments pour le plateau Antarctique. Améliorer la connaissance de la circulation de la MCDW et le transport de chaleur associé sur le plateau Antarctique est primordial pour mieux comprendre la formation d'AABW, la fonte des glaciers et des plateformes glaciaires ; et l'activité biologique du plateau. Grâce à la mise en ¿uvre d'un modèle inverse sur le plateau Adélie, nous avons proposé un schéma de la circulation moyenne pendant l'été et nous avons estimé les flux de chaleur et d'eau douce associés depuis l'entrée du plateau jusqu'aux région côtière proche du glacier du Mertz. Nous avons pu mettre en évidence des interactions potentielles entre les masses d'eau intermédiaires et profondes, d'une part, et le glacier, d'autre part, mettant en jeu des taux de fonte compatibles avec des estimations antérieures. Une seconde partie de ce travail s'est concentrée sur la variabilité du courant de la fréquence inertielle à l'échelle de temps saisonnière. Nous avons montré avec des observations in situ un fort cycle saisonnier de l'intensité et de la structure du courant sur le plateau Adélie, déjà suggéré dans des études antérieures basées sur des simulations numériques. Le cycle saisonnier doit donc être appréhendé pour bien comprendre les processus sur le plateau. / In this thesis, we study the Antarctic shelf ocean dynamics using in situ observation. We study the circulation of the Modified Circumpolar Deep Water (MCDW) on the East Antarctic shelf off Adélie Land presently recognized as the second major source of AntArctic Bottom Water (AABW). The MCDW is a source of heat, salt and nutrients for the Antarctic shelf. Improved knowledge of the circulation of the MCDW and the associated heat transport on the Antarctic shelf is very important to better understand the AABW formation, the role of the oceanic ice shelf, glacier melting and the biological activity. Thanks to the inverse model implemented on the Adélie Land shelf, we propose a comprehensive scheme of the mean circulation in summer 2008 and we estimate the associated heat and freshwater transports through the shelf break and farther on the shelf toward the Mertz Glacier. We present evidences of ocean induced glacial melt involving interaction of the dense shelf water and the MCDW with the glacier. A second part of this work focuses on the variability of the current from the inertial to the seasonal time scale using mooring observations collected in the AD, we show that a strong seasonal cycle exists in the current heading and vertical structure, in agreement with earlier model results, which implies that the seasonal cycle should be properly taken into account to correctly understand shelf-ocean processes in this region.

Les mammifères marins de l'Océan Austral sont des éléments essentiels des écosystèmes marins antarctiques et des sentinelles de l’état des océans polaires. Comprendre comment les conditions océanographiques déterminent leurs habitats préférentiels est essentiel pour identifier de quelle façon et dans quelle région ces mammifères acquièrent les ressources nécessaires à leur déplacement, leur croissance, leur reproduction et donc leur survie. Les éléphants de mer du Sud (Mirounga leonina) se déplacent dans l’océan austral à l’échelle des bassins océaniques pour s’alimenter en plongeant en moyenne à 500 m et jusqu’à 2000 m de profondeur. En fonction de leur colonie d’origine, de leur sexe, et de leur âge, ils exploitent des régions radicalement différentes de l’océan austral, mettant ainsi en œuvre des stratégies alimentaires diversifiées. Les éléphants de mer de Kerguelen utilisent deux zones préférentiellement: la zone du Front Polaire ou la zone Antarctique couverte par la banquise. Dans cette thèse, les stratégies alimentaires des voyages post-mue Antarctiques de 46 mâles et femelles éléphants de mer de Kerguelen ont été étudiées. Une série temporelle de 11 années (2004-2014) de données de déplacement, de plongées et de données hydrologiques a été analysée pour déterminer le rôle des paramètres océanographiques et de glaces de mer impliqués dans l’acquisition des ressources alimentaires des éléphants de mer en Antarctique. L’influence de la variabilité spatio-temporelle et interannuelle de la glace de mer associée à la position des mâles et des femelles ainsi que le rôle des polynies côtières sur les stratégies alimentaires des mâles en hiver ont été examinés. / Understanding how physical properties of the environment underpin habitat selection of large marine vertebrates is crucial in identifying how and where animals acquire resources necessary for locomotion, growth and reproduction and ultimately their fitness. The Southern Ocean harbors one of the largest and most dynamic marine ecosystems on our planet which arises from the presence of two majors physical features, (i) the Antarctic Circumpolar Current and (ii) the seasonal sea ice cover region. In the Antarctic, marine predators are exposed to climate-induced shifts in atmospheric circulation and sea ice. However, because these shifts vary regionally, and because much remains to be understood about how individual animals use their environment, it has been difficult to make predictions on how animals may respond to climate variability. Southern elephant seals (Mirounga leonina) are a major consumer of Southern Ocean resources and use two main large scale foraging strategies, (i) feeding in the frontal zone of the Southern Ocean, or (ii) feeding in the seasonal sea ice region. In the present thesis I examined the winter post-moulting foraging strategies of 46 male and female Kerguelen southern elephant seals which utilized the second strategy. Using an eleven year time-series of tracking, diving, and seal-collected hydrographic data (from 2004-2014) I assessed their movements and foraging performance in relation to in situ hydrographic and sea ice conditions. The influence of both the spatio-temporal and inter-annual variability of sea ice around seal locations was investigated, and an investigation on the role of polynya for male elephant seal during winter conducted.

Les précipitations solides jouent un rôle crucial dans le système climatique terrestre, ainsi que dans le maintien des écosystèmes et le développement des activités humaines. Les incertitudes associées aux estimations quantitatives des précipitations ainsi que celles concernant les projections des modèles climatiques font de cette composante du cycle hydrologique un sujet de recherche important. La télédétection permet de suivre les précipitations et les nuages dans des régions où les observations in situ sont rares et dispersées, mais avec une résolution temporelle limitée ainsi qu’une zone aveugle près du sol pour les capteurs spatiaux, et une visibilité limitée dans la basse atmosphère en terrain complexe pour les radars au sol. Les objectifs de cette thèse sont les suivants : 1) caractériser les nuages et les précipitations en Antarctique, en détectant la présence d’eau liquide surfondue et de particules de glace près du sol à l'aide d'un lidar 532-nm, polarisé, au sol ; 2) caractériser la structure verticale des précipitations dans deux régions contrastées mais importantes de la cryosphère, l’Antarctique et les Alpes, dans la basse troposphère, en utilisant des radars au sol.Dans cette étude, une méthode de détection des hydrométéores dans les nuages et les précipitations est proposée à l'aide de données lidar complétées par celles d’un <<micro rain radar>> (MRR) en bande K pour améliorer la détection des précipitations, ces deux instruments étant déployés à la station Dumont d'Urville (DDU) en Antarctique de l’Est. Une méthode fondée sur le facteur de dépolarisation lidar, le coefficient de rétrodiffusion atténué et l'utilisation d’un partitionnement en k-moyennes est développée. La classification des particules des nuages et des précipitations permet de documenter la distribution verticale de l'eau liquide surfondue, ainsi que des particules de glace sous différentes formes. La comparaison entre les classifications obtenues depuis le sol et celles obtenues à partir des données satellitaires montre des formes similaires pour la distribution verticale de l'eau liquide surfondue dans les nuages.La structure verticale des précipitations près de la surface est analysée à l'aide des moments Doppler obtenus à partir de trois MRRs situés à DDU, à la station Princess Elisabeth (PE) à l'intérieur de l'Antarctique de l’Est, et à la station du Col de Porte (CDP) dans les Alpes françaises. Ces analyses montrent que le climat local joue un rôle important dans la structure verticale des précipitations. En Antarctique, les forts vents catabatiques soufflant du haut plateau jusqu'à la côte diminuent le facteur de réflectivité radar près de la surface en raison de la sublimation des flocons de neige. Les moments Doppler fournissent aussi de riches informations pour comprendre les processus liés aux précipitations, tels que l'agrégation et le givrage, observés notamment à DDU et au Col de Porte.Les résultats montrent également qu'à l'intérieur du continent Antarctique, une partie significative (47%) des profils de précipitations présentent une sublimation complète avant la surface en raison des conditions atmosphériques sèches, alors que sur la côte de l'Antarctique, cela ne concerne qu’environ un tiers des profils (36%). Dans les Alpes, ce pourcentage est réduit à 15%. La majeure partie de la sublimation est observée en dessous de l'altitude où les profils de CloudSat sont contaminés par la proximité du sol. Par conséquent, ce phénomène ne peut pas être entièrement décelé depuis l'espace avec les capteurs actuels.Cette thèse contribue à l'étude de la structure verticale des précipitations neigeuses dans la basse troposphère ; elle est utile pour l'évaluation des produits de télédétection concernant les précipitations qui peuvent présenter de fortes limitations à la proximité de la surface. / Solid precipitation plays an important role in the Earth's climate system, as well as for the maintenance of ecosystems and the development of human society. The large uncertainty in precipitation estimates and the discrepancies within climate model projections make this component of the hydrological cycle important as a research topic. Remote sensing allows to monitor precipitation and clouds in regions where in-situ observations are scarce and scattered, but with limited temporal resolution and a blind zone close to the ground level for spaceborne sensors, and limited visibility in the lower atmosphere in complex terrain for ground-based radars. The objectives of this dissertation are the following: 1) to characterize cloud and precipitation in Antarctica, detecting the presence of supercooled liquid and ice particles near the ground level using a ground-based 532-nm depolarization lidar; 2) to characterize the vertical structure of the precipitation in two contrasted but important regions of the cryosphere, Antarctica and the Alps, in the low troposphere using ground-based radars.In this study, a cloud and precipitation hydrometeor detection method is proposed using lidar data, complemented with a K-band micro rain radar (MRR) to improve the detection of precipitation, both instruments deployed at the Dumont d'Urville (DDU) station in East Antarctica. A method based on lidar depolarization and attenuated backscattering coefficient and the use of k-means clustering is developed for the particle classification. The classification of cloud and precipitation particles provides the vertical distribution of supercooled liquid water, as well as planar oriented ice and randomly oriented ice particles. The comparison between ground-based and satellite-derived classifications shows consistent patterns for the vertical distribution of supercooled liquid water in clouds.The vertical structure of precipitation near the surface is analyzed using the Doppler moments derived from three MRR profiles at DDU, the Princess Elisabeth (PE) station, at the interior of East Antarctica, and at the Col de Porte (CDP) station, in the French Alps. These analyses demonstrate that local climate plays an important role in the vertical structure of the precipitation. In Antarctica, the strong katabatic winds blowing from the high plateau down to the coast decrease the radar reflectivity factor near the surface due to the sublimation of the snowfall particles. Doppler moments also provide rich information to understand precipitation processes, such as aggregation and riming, as observed at DDU and CDP.The results also show that in the interior of the Antarctic continent a significant part (47%) of the precipitation profiles completely sublimate before reaching the surface, due to the dry atmospheric conditions, while in the coast of Antarctica it corresponds to about the third part (36%). In the Alps, this percentage is reduced to 15%. The major occurrence of particle sublimation is observed below the altitude where CloudSat profiles are contaminated by ground clutter. Therefore, this phenomenon cannot be fully captured from space with the current generation of sensors.This dissertation contributes to the study of the vertical structure of snowfall in the low troposphere, useful for the evaluation of precipitation remote sensing products, which may have severe limitations in the vicinity of the surface.

Antarctic Wind Engineering deals with the effects of wind on the built environment. The assessment of wind induced forces, wind resource and wind driven snowdrifts are the main tasks for a wind engineer when participating on the design of an Antarctic building. While conventional Wind Engineering techniques are generally applicable to the Antarctic environment, there are some aspects that require further analysis due to the special characteristics of the Antarctic wind climate and its boundary layer meteorology. <p>The first issue in remote places like Antarctica is the lack of site wind measurements and meteorological information in general. In order to complement this shortage of information various meteorological databases have been surveyed. Global Reanalyses, produced by the European Met Office ECMWF, and RACMO/ANT mesoscale model simulations, produced by the Institute for Marine and Atmospheric Research of Utrecht University (IMAU), have been validated versus independent observations from a network of 115 automatic weather stations. The resolution of these models, of some tens of kilometers, is sufficient to characterize the wind climate in areas of smooth topography like the interior plateaus or the coastal ice shelves. In contrast, in escarpment and coastal areas, where the terrain gets rugged and katabatic winds are further intensified in confluence zones, the models lack resolution and underestimate the wind velocity. <p>The Antarctic atmospheric boundary layer (ABL) is characterized by the presence of strong katabatic winds that are generated by the presence of surface temperature inversions in sloping terrain. This inversion is persistent in Antarctica due to an almost continuous cooling by longwave radiation, especially during the winter night. As a result, the ABL is stably stratified most of the time and, only when the wind speed is high it becomes near neutrally stratified. This thesis also aims at making a critical review of the hypothesis underlying wind engineering models when extreme boundary layer situations are faced. It will be shown that the classical approach of assuming a neutral log-law in the surface layer can hold for studies of wind loading under strong winds but can be of limited use when detailed assessments are pursued. <p>The Antarctic landscape, mostly composed of very long fetches of ice covered terrain, makes it an optimum natural laboratory for the development of homogeneous boundary layers, which are a basic need for the formulation of ABL theories. Flux-profile measurements, made at Halley Research Station in the Brunt Ice Shelf by the British Antarctic Survery (BAS), have been used to analyze boundary layer similarity in view of formulating a one-dimensional ABL model. A 1D model of the neutral and stable boundary layer with a transport model for blowing snow has been implemented and verified versus test cases of the literature. A validation of quasi-stationary homogeneous profiles at different levels of stability confirms that such 1D models can be used to classify wind profiles to be used as boundary conditions for detailed 3D computational wind engineering studies. <p>A summary of the wind engineering activities carried out during the design of the Antarctic Research Station is provided as contextual reference and point of departure of this thesis. An elevated building on top of sloping terrain and connected to an under-snow garage constitutes a challenging environment for building design. Building aerodynamics and snowdrift management were tested in the von Karman Institute L1B wind tunnel for different building geometries and ridge integrations. Not only for safety and cost reduction but also for the integration of renewable energies, important benefits in the design of a building can be achieved if wind engineering is considered since the conceptual phase of the integrated building design process.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les régions polaires sont particulièrement touchées par le changement climatique actuel, en raison des mécanismes d'amplification qui y opèrent. Les forages de glace en Antarctique et au Groenland sont des témoins précieux des variations paléoclimatiques locales et donnent aussi accès à des informations sur les modifications environnementales des latitudes plus basses. Ce travail de thèse repose sur l'obtention d'informations délivrées par l'air progressivement emprisonné sous forme de bulle lors du processus de transformation de la neige en glace : la composition élémentaire et isotopique de l'air (N2, O2, Ar et Kr) et la concentration en méthane. Nos résultats permettent de progresser sur trois aspects différents mais intimement liés : (i) L'évolution passée de la structure des névés en Antarctique. La mesure des isotopes du krypton sur le forage profond de Dome C (EDC pour EPICA Dome C) nous permet de mettre en évidence qu'une zone convective de l'ordre de 20-50 m a pu se développer dans le névé en période glaciaire. L'étude conjointe des profils isotopiques de l'azote ("15N) mesurés sur les forages EPICA Dronning Maud Land (EDML) et TALDICE suggèrent que l'évolution de la structure du névé des deux sites ne répond plus de manière simple aux changements du taux d'accumulation en surface lorsque celui-ci dépasse un seuil de 5 ±1.5 cm eq. glace an- 1. (ii) La datation des forages glaciologiques. Nous avons exploité le premier enregistrement de "O2/N2 produit entre 300 000 et 800 000 ans sur l'air piégé dans la glace de EDC. Alors qu'il semble délicat d'utiliser ce signal pour construire une nouvelle datation par calage orbital de ce forage, en particulier pour les périodes de faible excentricité, le "O2/N2 se révèle être un outil pertinent pour tester les limites et les incertitudes de la datation actuelle du forage (EDC3). L'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane nous permet d'établir une synchronisation des forages de EDML (Antarctique) et de NorthGRIP (Groenland) couvrant le début de la dernière période glaciaire (75 000-123 000 ans) avec une incertitude inférieure à 400 ans. (iii) Cette datation relative nous permet de décrire les variations climatiques rapides au début de la dernière période glaciaire au Groenland et en Antarctique. Nous mettons en évidence une variabilité climatique sub-millénaire superposée à la succession classique des évènements de Dansgaard Oeschger, i.e. des évènements précurseurs aux évènements rapides, des rebonds climatiques en fin d'interstade. Nous démontrons que le mécanisme de bascule bipolaire entre le Groenland et l'Antarctique est également opérationnel à l'échelle sub- millénaire. Une étude multiparamétrique sur le premier événement abrupt enregistré dans la glace de NorthGRIP (DO25) montre que cet événement caractérise la transition entre la dernière période interglaciaire et la mise en place d'une variabilité abrupte couplant les hautes et les basses latitudes. L'ensemble de nos résultats établit un lien étroit entre la dynamique climatique rapide à l'échelle millénaire et les composantes à évolution lente qui imposent l'état de base du système climatique (configuration orbitale, volume des glaces).

Il existe actuellement des différends frontaliers entre les États circumpolaires-Nord qui entravent la bonne gouvernance de la région. Afin d'identifier des pistes de solution pour améliorer la gouvernance en Arctique et faciliter la coopération, nous analysons le processus qui a mené, à l'autre pôle, à la création du Traité sur l’Antarctique de 1959. Nous utilisons une approche néolibérale institutionnelle comme cadre théorique ainsi qu’une méthodologie basée sur le traçage de processus. Nous avons identifié quatre variables (les intérêts des États, le contexte politique, le leadership, et l’Année géophysique internationale [AGI]) que nous avons étudiés au cours de trois périodes historiques et dont l’évolution a contribué à la formation du régime antarctique. Les étapes menant à l'élaboration d'un régime identifié dans la théorie institutionnaliste dynamique de Frischmann s'appliquent aux différentes périodes que nous avons déterminées. La première période historique correspond à l'identification du problème d'interdépendance. Les États ont d’abord tenté d’assouvir leurs intérêts particuliers envers le continent antarctique par l’intermédiaire de stratégies individuelles. Le statut imprécis du continent antarctique caractérisé par des revendications territoriales conflictuelles, la volonté des superpuissances d’effectuer d’éventuelles revendications territoriales et le leadership exercé par les États-Unis ont toutefois permis de faire évoluer les États vers des stratégies coopératives. La deuxième période historique correspond à l'étape de la négociation de l’entente. Le leadership d’un groupe de scientifiques et des États-Unis ainsi que le contexte politique de la Guerre froide ont favorisé la cohésion des États intéressés par les affaires antarctiques et leur investissement dans une coopération multilatérale souple dans le cadre d’un événement ponctuel, l’AGI. La troisième période correspond à la mise en oeuvre de l’entente, soit l’AGI. Lors de cet événement, une entente tacite, un engagement d’honneur, qui suspendait les considérations territoriales en Antarctique, a été respectée par les parties. La coopération dans le cadre de l’AGI s’est avérée un succès. Les États se sont montrés satisfaits des gains que comportait la coopération scientifique dans un environnement pacifique. L’AGI a permis aux États d’expérimenter la coopération multilatérale et d’observer le comportement des autres participants au sein de l’institution. En raison de la satisfaction des États vis-à-vis la coopération dans le cadre de l'entente souple, l'élaboration du traité de 1959 a été facilitée. Notre étude nous a permis d’identifier des éléments clefs qui ont favorisé la formation du régime antarctique et qui pourraient servir d’inspiration pour l'élaboration de futurs régimes. La présence d’un leadership tout au long du processus a permis de promouvoir les avantages de la coopération sous différentes formes et de renforcer les relations entre les États présents dans les affaires antarctiques. La réalisation d'une entente souple dans le cadre de l'AGI, centrée autour des intérêts communs aux parties, comprenant un engagement d’honneur, permettant de mettre de côté les points de discorde, ont aussi été des points centraux dans la réussite et la poursuite de la coopération au-delà de l’AGI. Cette approche graduelle allant du droit souple vers le droit contraignant est sans aucun doute l’élément le plus important ayant facilité le rapprochement des différentes parties et éventuellement la création du Traité sur l’Antarctique. / There are currently border disputes between North circumpolar states that impede the good governance of the region. In order to identify possible solutions for improving the governance in the Arctic and to facilitate cooperation, we analyze the process that, at the other pole, led to the creation of the 1959 Antarctic Treaty. We use a neoliberal institutional approach as a theoretical framework and a methodology based on the process tracing. We identified four variables (states' interests, the political context, leadership, and the International Geophysical Year [IGY]) that we studied through three historical periods and whose evolution has contributed to elaborating the Antarctic regime. The steps leading to the development of a regime, identified in Frischmann’s dynamic institutionalism theory, apply to the three periods that we have identified. The first historical period corresponds to identifying an interdependency problem. States first tried to satisfy their particular interests pertaining to the Antarctic continent through individual strategies. The unclear status of the Antarctic continent characterized by conflicting claims, the will of the superpowers to potentially make territorial claims, and the leadership of the United States, however, facilitate the states to move to more cooperative strategies. The second historical period corresponds to negotiating the agreement. The leadership of a group of scientists and the United States in addition to the political context of the Cold War facilitated the cohesion of states interested in Antarctic affairs and their investment in a soft multilateral cooperation, the IGY. The third period corresponds to implementing the agreement, that is IGY. During this event, the parties have respected a tacit agreement, a gentlemen’s agreement, which suspended territorial considerations in Antarctica. The cooperation during the IGY proved to be a success. States were satisfied with their gains from the scientific cooperation in a peaceful environment. The IGY has allowed states to experiment multilateral cooperation and to observe the behavior of other participants within the institution. Due to the satisfaction of the states vis-à-vis the cooperation, the development of the 1959 Treaty was facilitated. Through our study, we identified key elements that led to the creation of the Antarctic regime and could serve as an inspiration for the development of future regime. The continuous of leadership throughout the process helped to promote the benefits of cooperation and to strengthen relations between the states involved in Antarctic affairs. The accomplishment of a soft agreement, during the IGY, centered around the parties common interests, and of a gentlemen’s agreement, which put aside divisive issues were also central points in the success and the extension of the coopération after the IGY. This gradual approach from soft law to hard law is undoubtedly the most important element that facilitated the cohesion of parties and the creation of the Antarctic Treaty.